CORSO TEORICO
2012
Obbiettivi del corso
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•
•
Aerotecnica
Propulsione
Motore a scoppio
Qualita’ e Prestazioni di volo
AG/ULight
AEROTECNICA
Maurizio Pizzamiglio
INDICE
Conoscenza delle nomenclatura aeronautica
Cenni di trigonometria e fisica
Come è fatto un aeroplano
Perché è possibile volare
Come e perché manovra un aeroplano
Prestazioni e Qualita’ di volo
Aerotecnica
• Col termine Aerotecnica, s’intende la
conoscenza dei principi del volo,cioè delle
leggi fondamentali dell’aerodinamica ,che
permette al pilota di comprendere per quali
fenomeni fisici il suo aeromobile riesce a
staccarsi dal suolo, ad alzarsi in aria,e a
evoluire docile ai suoi comandi, e quali
sono i limiti entro cui quanto sopra è
possibile
Cronologia
1921 - 1930
1931 - 1938
1914 - 1920
1939 - 1945
1946 - 1960
1900 - 1913
I
PRIMI ANNI
60
I Dirigibili
I Dirigibili
Aerei a getto militari
Aerei a getto civili
Aerei a motore A.G.
Ultraleggeri
Elicotteri
Alianti
Missili
CLASSIFICAZIONE
Senza motore : PALLONI FRENATI o LIBERI
Con motore ausiliario: MOTOPALLONI
Più leggeri
dell’aria
Con motore fisso: DIRIGIBILI
Ala fissa
AEROMOBILI
Senza motore : ALIANTE
Con motore ausiliario:MOTOALIANTE
AERODINA
Con motore fisso : VELIVOLI
IDROVOLANTI-ANFIBI
Più pesanti
dell’aria
Ala mobile
AEROPLANI
Elicottero
Convertiplano
Elica
Turboelica
SENZA SUPERFICI
SOSTENTAMENTO
Missili
a getto
METEOROLOGIA
Premessa
La Terra è circondata da uno strato di aria che chiamiamo
atmosfera. Si estende per oltre 560 chilometri dalla superficie,
quello che possiamo vedere direttamente è quindi ciò che accade
negli strati molto vicini al terreno.
La vita sul nostro pianeta è dovuta anche alla presenza
dell'atmosfera, dell'energia solare e del campo magnetico terrestre.
L'atmosfera assorbe parte dell'energia del Sole, ricicla l'acqua ed
altri elementi chimici e, congiuntamente alla forza elettromagnetica
modera il clima. Inoltre ci protegge dalle radiazioni ad alta energia
che arrivano dallo spazio.
Con l'altezza, cambiano le caratteristiche di questo inviluppo di gas
che ci circonda. Sono stati identificati quattro strati fondamentali,
tenendo conto di parametri come le caratteristiche termiche (i
cambiamenti nella temperatura), la composizione chimica, i moti e
le densità.
L’ATMOSFERA
In aeronautica viene utilizzata un’atmosfera di
riferimento. L’Organizzazione Internazionale
Dell’Aviazione Civile (ICAO) ha stabilito le caratteristiche
dell’aria tipo per l’Europa:
• l’aria è un gas perfetto
• il gradiente termico è -0.0065°C/m
• le condizioni al livello del mare sono
T= 15°C p=760 mmHg
Con l’aumento della quota pressione, temperatura e
densità diminuiscono
Z
[km]
Esosfera
500
P
T
[mmHg]
[K]
[kg/m3]
250
Mesopausa
Ionosfera
85
0.042
198
170
Mesosfera
Stratopausa
50
273
32
Strato di ozono
Stratosfera
Tropopausa
11
525
270
0.1
Troposfera
0
760
288
ALA ISOLATA
0.124
Troposfera
La troposfera inizia dalla superficie terrestre e si
estende fino a 14.500 metri di altezza. E' questa
la parte dell'atmosfera più densa. Salendo in
questo strato, la temperatura scende da circa 17
a -52° C. Quasi tutti i fenomeni meteorologici
avvengono in questa regione. La tropopausa
separa la troposfera dallo strato successivo.
Questi, congiuntamente, compongono la
cosiddetta bassa atmosfera.
Stratosfera
La stratosfera ha inizio appena al di sopra della
troposfera e si estende in altezza per 50 chilometri.
Rispetto alla troposfera, questa parte è più secca e
meno densa. Qui, la temperatura cresce gradualmente
fino a -3° C, a causa dell'assorbimento della radiazione
ultravioletta. Si trova qui lo strato di ozono, che assorbe
e diffonde la radiazione ultravioletta solare. Il 99 per
cento dell'"aria" si trova nella troposfera e nella
stratosfera. La stratopausa separa la stratosfera dallo
strato successivo.
Composizione dell’atmosfera
Composizione dell'atmosfera terrestre
L'atmosfera terrestre è composta principalmente
da Azoto (N2, per il 78%), ossigeno (O2, 21%)
ed Argon (Ar, 1%). Sono presenti anche una
miriade di altri elementi e di composti
estremamente reattivi, oltre al vapore acqueo
(H2O, 0 - 7%) e l'Ozono ( 0 - 0,01%) il gas la cui
diminuzione, associata all'incremento del biossido
di Carbonio (CO2, 0,01-0,1%) è responsabile
dell'effetto serra.
Definizioni
• Temperatura: grandezza che ci indica lo stato termico di un corpo,
ossia ci fornisce la sua quantità di calore. Sulla terra il calore è fornito
dal sole . L’immagazzinamento di questa energia non è uguale per tutta
la superficie terrestre, ma varia da punto a punto, in rapporto alla
orografia , alla presenza di acqua. Il mare ha più capacità di
immagazzinare energia. Queste differenze di temperatura comportano
movimenti di masse d’aria, che vedremo più avanti parlando del vento.
Possiamo , inoltre dire che, in una giornata serena l’escursione termica
diurna è rilevante, mentre in una giornata nuvolosa è inferiore, perché
le nubi ostacolano l’apporto e la cessione di calore.
• Gradiente Termico Verticale : s’intende la variazione della
temperatura con la quota.
• Inversione Termica: si ha quando il terreno è molto freddo, e gli strati
d’aria vicino ad esso si raffreddano, e salendo in quota ,l’aria invece di
raffreddarsi si riscalda. Questo succede fino a 100,200 metri, siamo
cioè in presenza del fenomeno della nebbia.
Definizioni
• Scale termometriche: la temperatura può essere misurata in tre modi
differenti, a seconda della scala usata.Le più importanti sono la scala
Celsius(o centigrada),la scala Fahrenheit e la scala Kelvin.Per costruire
la scala Celsius, si sono scelte due temperature di riferimento, quella
del ghiaccio che fonde, e quella dell’acqua che bolle . Alla prima è
stato assegnato il valore di 0°C, alla seconda di
100°C.Successivamente la scala è stata suddivisa in 100 parti. La scala
Fahrenheit considera gli stessi punti, ma attribuisce al primo il valore
di 32°F, ed al secondo 212°F.La scala è stata poi suddivisa in 180
parti. Per la scala Kelvin sappiate solamente che assume come zero la
più bassa temperatura ottenibile cioè -273°C.
• Isoterma: le varie temperature registrate dalle stazioni di
osservazione vengono messe su carte . Unendo fra di loro tutti i punti
che alla stessa ora hanno la stessa temperatura si ottengono le
cosiddette linee ISOTERME.
Definizioni
• Variazione della pressione con la quota:
prendiamo tre persone situate a tre altezze
diverse, la 1° sta al livello del mare , la 2°
ad una altezza intermedia , e la 3° è posta ad
altezza maggiore. Il peso dell’atmosfera che
essi subiscono è differente, in quanto la
colonna d’aria che li sovrasta è diversa. Lo
strumento che misura la pressione si chiama
BAROMETRO
Definizioni
• ISOBARE : affinchè i valori di pressione
cha abbiamo a disposizione siano
comparabili fra di loro, bisogna riportare
sulla carta geografica tutti i punti che alla
stessa ora hanno riportato la stessa
pressione. Unendo questi punti, otteniamo
le ISOBARE.
Definizioni
• Fusione: passaggio dallo stato solido allo
stato liquido
• Evaporazione: passaggio dallo stato
liquido allo stato aeriforme
• Condensazione: passaggio dallo stato
aeriforme allo stato liquido
• Solidificazione: passaggio dallo stato
liquido allo stato solido
Definizioni
• L'acqua allo stato di vapore è uno dei componenti della
nostra atmosfera. È invisibile essendo inodore, incolore e
trasparente. Quando il vapore acqueo si raccoglie in gran
quantità e si mescola a polveri, gas vari, pollini, residui
della combustione, diventa allora meno trasparente dando
luogo al fenomeno della foschia o della caligine.Il vapore
d’acqua è perfettamente trasparente alla luce , e quindi non
si vede. Non si deve commettere l’errore assai diffuso, che
le nubi o quanto esce da una pentola in ebollizione è
vapore.In realtà sono minuscole goccioline d’acqua allo
stato liquido e quindi ben visibili.
Definizioni
• Densità: si definisce densità il rapporto tra
quantità di aria contenuta in un metro cubo.
( esempio di densità di popolazione)
• Moto convettivo: movimento dell’aria
dovuto a variazioni di temperatura.
Definizioni
Tramontana
Maestro
Greco
Ponente
Levante
Libeccio
Scirocco
Mezzogiorno
NOMENCLATURA
AERONAUTICA
APERTURA ALARE :
Distanza tra le estremità dell’ala
NOMENCLATURA
APERTURA ALARE
Bordo
d’attacco
BORDO d’ATTACCO :
Linea anteriore che separa il
dorso dal ventre
BORDO d’USCITA:
Linea posteriore che separa il
dorso dal ventre
CORDA ALARE :
Segmento che unisce bordo
d’attacco e di uscita
Bordo
d’uscita
Corda
alare
DORSO :
Superficie superiore dell’ala
VENTRE :
Superficie inferiore dell’ala
NOMENCLATURA
Linea media: è la linea che
determina la curvatura dell’ala.
Spessore massimo: è la distanza
massima tra il dorso e il ventre
dell’ala
del profilo alare
Freccia
Corda alare
del
Linea
profilo
media
Spessore Massimo
Corda alare: è il segmento che
unisce il bordo d’attacco e di uscita
dell’ala
Freccia del profilo : è la distanza
massima tra la corda e la linea media
ANGOLI CARATTERISTICI
Angolo di assetto : angolo compreso tra la corda alare e la linea
dell’orizzonte
ANGOLI CARATTERISTICI
Angolo di rampa : angolo compreso tra la traiettoria di volo e la
linea dell’orizzonte
ANGOLI CARATTERISTICI
Angolo d’incidenza : angolo compreso tra la corda alare ed il
vento relativo
ANGOLI CARATTERISTICI
ASSI del VELIVOLO
ASSE
LONGITUDINALE
ROLLIO
ASSI del VELIVOLO
ASSE VERTICALE
Imbardata
ASSI del VELIVOLO
ASSE TRASVERSALE
Beccheggio
COME E’ FATTO UN AEROPLANO
PARTI PRINCIPALI DEL VELIVOLO
PIANTA DELL’ALA
Rastremazione= lmax/lmin
λ=b²/S
DIEDRO DELL’ALA
Svergolamento=є
(estremita’/mezzeria
Materiali usati
•
•
•
•
Leghe leggere γ> 2,8 Kg/dm³
Titanio γ> 4,5 Kg/dm³
Acciaio γ> 7 Kg/dm³
Materiali compositi
Prestazioni vs Qualità di volo
• Le prestazioni sono la primaria
considerazione durante la vendita di un
velivolo.Si basano su principi standard di
sicurezza come la salita,il decollo, etc.
• Le qualità di volo assicurano che il velivolo
certificato, possa essere volato senza
eccezionali skill , e sforzi.
CENNI di TRIGONOMETRIA
TRIGONOMETRIA
Deriva dal greco
τρίγωνον = triangolo
μέτρον = misura
DEFINIZIONI
B’
B
A
θ
C’
BC
=
AB
AC
AB
B’C’
C
=
sen θ
AB’
=
AC’
AB’
= cos θ
Cateto
Ipotenusa
Cateto
CENNI di FISICA
DEFINIZIONI
• Lavoro: forza x spostamento
• Campo di forza conservativo: il lavoro compiuto
dalla forza per spostare un punto dipende solo
dalla posizione iniziale e finale
• Energia potenziale:la capacità di un punto di
compiere lavoro in un campo di forze
conservativo
• Energia cinetica: ogni punto materiale per il solo
fatto di essere in moto e di avere una ‘inerzia’ha la
capacità di compiere un lavoro
Come si rappresenta una forza?
Con un “ VETTORE ” definito da :
Punto d’applicazione
Intensità
Intensità
È il punto in cui il calciatore colpisce
il pallone
Dipende dalla forza impressa dal calciatore
Direzione e verso
Sono quelle volute dal
calciatore
verso
Punto d’applicazione
DIREZIONE
COMPOSIZIONE DELLE FORZE
Stessa direzione
F1
F2
F1 = F2
F2
R=0
R = F1 + F2
F1
F1
F2
R = F2 - F1
Direzione diverse
F1
R
F2
La risultante R
è la diagonale del
parallelogramma
SCOMPOSIZIONE DELLE FORZE
La Forza F viene
scomposta in due
componenti :
Cv
F
Co Orizzontale
Co
Cv Verticale
Legge di inerzia
• La prima legge di Newton dice :
“ Un corpo a riposo tende a rimanere
nelle stesse condizioni , così come un
corpo in movimento tende a rimanere in
movimento, se non viene disturbato da
un’altra forza “ (∑F=0 ;∑M=0)
Legge di accelerazione
• La seconda legge di Newton dice :
“ L’accelerazione è direttamente proporzionale
alla forza, ed inversamente proporzionale alla
massa,ed ha la direzione della forza “
F=ma
Legge di azione/reazione
La terza legge di Newton dice che:
“ Per ogni azione, esiste una
reazione uguale ed opposta “
TEOREMA di BERNOULLI
S1
S2
Nell’unità di tempo le sezioni S1 e S2 sono
attraversate dallo stesso numero di particelle
La velocità e la pressione
rimangono costanti
Condotta a sezione costante
S1
S2
S3
Nell’unità di tempo le sezioni S1, S2 e S3
sono attraversate dallo stesso numero di
particelle conseguentemente man
mano che il condotto si restringe, la
velocità deve aumentare.
In corrispondenza della sezione S2 più
stretta si ha la velocità maggiore
e
Condotta con strozzatura
quindi la pressione minore
TEOREMA di BERNOULLI
p0= p+1/2V2 = costante
p è detta pressione statica
1/2V2 rappresenta l’energia cinetica e viene indicato
come pressione dinamica
p0 è la pressione totale
La formula è valida se non si tiene conto della
compressibilità dell’aria, cioè per velocità subsoniche e
per un fluido in moto permanente e irrotazionale
all’interno di un tubo di flusso.
PERCHE’ E’ POSSIBILE IL VOLO …
…… del più leggero dell’aria
…… del più pesante dell’aria
COME VOLA UN DIRIGIBILE ?
L’involucro
contiene gas più
leggero dell’aria
Il movimento
longitudinale è
dovuto all’azione
dei motori ad
elica
La direzione è
mantenuta da
timoni o da
motori
COME VOLA UNA MONGOLFIERA?
Un bruciatore invia aria
calda nell’involucro
L’aria calda è più leggera
e trascina verso l’alto la
mongolfiera
Se la mongolfiera non è
ancorata al suolo
mediante una fune, si
muove in balia del vento
PER IL PIU’ PESANTE DELL’ARIA …
…… è l’ala che ha il compito di sostenere
l’aeroplano, perché genera una forza ……
FORZE AGENTI SULL’ALA
ALA ISOLATA
Consideriamo un profilo alare simmetrico investito da
una corrente subsonica indisturbata di velocità V e
pressione p
V
A
F
x
Alcune linee di corrente passeranno sopra l’ostacolo,
altre sotto; i due tipi di linee sono separate da una linea
di corrente che non passando né sopra né sotto andrà ad
arrestarsi sul bordo d’attacco A del profilo. I punti A ed F
sono due punti di arresto della corrente fluida e pertanto
la pressione sarà la pressione d’arresto p0.
Consideriamo il seguente
tubo di flusso:
s
s
F
A
s
x
Per l’equazione di continuità la velocità diminuisce
dove il tubo di flusso si allarga e viceversa, mentre per
il teorema di Bernoulli la pressione cresce dove la
velocità diminuisce e viceversa. L’andamento delle
velocità e delle pressioni lungo il profilo alare è il
seguente:
p
p
p
+0
+
0
p
V
V
A
F
x
LA PORTANZA dell’ALA
P=1/2 Cp S V2
Per effetto della
depressione sul dorso
dell’ala si genera una
forza che sostiene l’ala
L’ala viene
praticamente
risucchiata verso
l’alto
Aerodinamica
• Eulero e’ il padre della aerodinamica teorica
• Newton e d’Alembert erano accademici
• Prandtl e gli altri basavano le loro teorie
sull’osservazione pratica
• “Concludo che lo alzare degli uccelli senza
battimento d’ali non nasca altro che
mediante il loro moto circolare infra il moto
del vento” Leonardo
Portanza Alare
• D’Alembert:
su un corpo immerso in un fluido e assente
la forza aerodinamica.
• Kutta-Joukowsky:
F=ρГVL=1/2ρV²SCp
• Prandtl: applica il fattore viscosita’
Portanza Alare
Re=ρVL/μ
Rec,transizione tra laminare e turbolento
Navier - Stokes
Equazioni di Navier–Stokes per fluido incompressibile:
Od in forma vettoriale compatta:
P=1/2 Cp S V2
Il velivolo militare F104 ha una ala piccola, necessita quindi
di alte velocità per stare in volo
RELAZIONE TRA :COEFFICIENTE di PORTANZA ( Cp ) e angolo di
incidenza ( i )
Forze agenti sull’ala
Nel suo moto relativo all’aria, l’ala è sottoposta all’azione di una forza
risultante F e di un momento risultante M
La forza F è applicata
al Centro di Pressione
dell’ala ed ha due
componenti:
Portanza
Forza
aerodinamica
Portanza P=1/2Cp SV2
ortogonale al moto
Resistenza R=1/2Cr SV2
nella direzione del moto
M
Resistenza
Incidenza
Fuoco
Centro di pressione
M è il momento
della forza F
rispetto a l fuoco,
punto prescelto
della corda
fuo
co
= 12° 9° 4°
0°
F
curva
metacentrica
Il fuoco si trova sempre al
25% della corda alare.
Il punto di pressione ove è
applicata la forza varia la sua
posizione in funzione
dell’angolo di attacco e del
profilo. Generalizzando:
bassi
4050% della
corda
alti 2728% della corda
Il momento M della forza
aerodinamica risultante,
rispetto al fuoco dell’ala, è
sempre un momento
picchiante.
Misurazione della portanza e resistenza
RESISTENZA
R=1/2 Cr S V2
P=1/2
PORTANZA
C p S V2
RESISTENZA
Resistenza dell’ala
Resistenza indotta
Resistenza di profilo
Resistenza d’attrito
Resistenza di forma
RESISTENZA di FORMA
La resistenza di forma è dovuta alla forma del profilo
alare e alla viscosità, dipende dalla distribuzione della
pressione intorno al profilo.
RESISTENZA di ATTRITO
scorrimento fra i filetti
allontanamento
rallentamento
lo strato limite aumenta di spessore
punto di transizione
fra laminare a
turbolento
A
B
C
D
La resistenza d’attrito ha sede nel sottile strato d’aria
immediatamente a contatto con l’ala (strato limite), dove
l’aria subisce un rallentamento dovuto alla viscosità ed alla
rugosità della superficie alare
INFLUENZA DELL’ANGOLO
DI INCIDENZA
LA RESISTENZA
AUMENTA CON
L’AUMENTARE
DELL’ANGOLO
INCIDENZA
resistenza indotta
La resistenza indotta è legata alla generazione di
portanza
per il terzo principio della dinamica (ad ogni azione
corrisponde una reazione uguale e contraria), alla
portanza deve corrispondere una forza diretta verso
il basso esercitata dall’ala sull’aria.
L’ala compie un lavoro per spostare l’aria verso il
basso:
“ quindi la resistenza indotta corrisponde
alla forza spesa per spostare l’aria verso
il basso”
resistenza indotta
depressione
depressione
sovrapressione
sovrapressione
Ri=Cp
/лλ
POLARE
Cp
Cp max
b
Cr min
Cr
passiamo ora dall’ala al velivolo completo
PORTANZA E RESISTENZA TOTALI
Valgono le stesse relazioni già viste per l’ala isolata:
P=1/2CpρSV2
R=1/2CrρSV2
Solo che ora la S è la superficie EQUIVALENTE a tutte quelle
che concorrono a creare portanza (non è la superficie di tutto il
velivolo) e i coefficienti Cp e Cr sono relativi a questa superficie
Per quanto riguarda la resistenza,
si ha anche una resistenza dovuta all’interferenza fra le
varie parti del velivolo.
PORTANZA DEL VELIVOLO COMPLETO
PORTANZA
PORTANZA
P=1/2CpρSV2
Se PORTANZA = PESO
PESO
IL VELIVOLO
NON GUADAGNA né PERDE
QUOTA QUOTA
P=1/2CpρSV2
Se PORTANZA > PESO
PESO
PORTANZA
P=1/2CpρSV2
IL VELIVOLO
GUADAGNA QUOTA
Se PORTANZA < PESO
IL VELIVOLO PERDE QUOTA
PESO
VOLO RETTILINEO
( a quota costante )
Quale relazione deve esistere perché un velivolo
mantenga la quota e la velocità costante ?
P
TRAZIONE
T
PORTANZA
R
RESISTENZA
Q
P=Q
PESO
e T=R
SALITA
T = R + Q sen
P = Q cos
Asse
longitudinale
T Trazione
P
Portanza
Q cos
R Resistenza
Q sen
Q
Peso
angolo di rampa
Orizzonte
P = Q cos
T = R - Q sen
DISCESA
Asse
longitudinale
P
Portanza
angolo di discesa
R
Resistenza
Orizzonte
T
Q cos
Trazione
Q
Peso
Q sen
L’EFFICIENZA AERODINAMICA
E=P/R=Cp/Cr
E
Cr
Cp
Emax è l’angolo
E
max
st
d’attacco di minima
resistenza aerodinamica
totale del velivolo.
Quest’angolo ha notevole
importanza per ottenere i
valori di autonomia
massima del velivolo.
Vediamo ora come e perché manovra una
aeroplano
Velivolo in equilibrio
Momento
Picchiante
La forza peso e la portanza
applicate in punti diversi
danno luogo ad un
momento picchiante.
PORTANZA
Per equilibrare il momento il
piano di coda genera una
forza equilibrante diretta
verso il basso.
FORZA
equilibrante
PESO
COMANDI di VOLO
Alettoni
L’alettone è una superficie
mobile posta al bordo
d’uscita dell’ala
Il movimento coordinato
degli alettoni determina il
movimento di rollio intorno
all’asse longitudinale
COMANDI di VOLO
Ala destra
Alettoni
La portanza è uguale
su entrambe le ali.
In queste condizioni
il velivolo mantiene
le ali parallele
all’orizzonte
Ala sinistra
Gli effetti producono
una virata a destra
L’ala destra per
effetto della
diminuzione della
portanza si abbassa
L’ala sinistra per
effetto del
incremento della
portanza si alza
COMANDI di VOLO
Timone di profondità
Comanda l’assetto del
velivolo intorno all’asse
trasversale :beccheggio
COMANDI di VOLO
Il velivolo è in volo a quota costante.
Come si interviene sui comandi per cabrare ?
La barra viene tirata indietro
Barra di
Si genera
comando
Il piano mobile si alza
Piano di
coda
una forza
direttafisso
verso il basso che modifica
l’equilibrio delle forze e fa
cabrare il velivolo
L’aletta compensatrice
Parte
si abbassa e genera una
forza che
aiuta a tenere
mobile
su il piano mobile
COMANDI di VOLO
Il velivolo è in volo a quota costante.
Come si interviene sui comandi per picchiare ?
La barra viene spostata in avanti
Piano di
Barra di
Il piano mobile si abbassa
Si genera una forza diretta
coda fisso
comando
verso l’alto che modifica
l’equilibrio delle forze e fa
picchiare il velivolo
L’aletta
compensatrice
si alza e genera
una forza che
Parte
aiuta
a tenere
giù il piano
mobile
mobile
DOMANDE ?
