Primo incontro - La Fisica del Volo

Modulo Formativo Fisica del Volo
Docenti: S. Oss e T. López-Arias
Resoconto I incontro
Mercoledì 10 novembre 14:30-17:30,
Museo dell’Aeronautica Gianni Caproni
Inizia il primo incontro di questo modulo formativo con una introduzione da parte di Stefano Oss.
Si presenta brevemente il nuovo Piano Lauree Scientifiche per quello che riguarda l’offerta del
Dipartimento di Fisica. Il modulo formativo si configura come un primo passo per offrire agli
insegnanti una visione generale del percorso didattico del Laboratorio “Fisica del Volo” che per il
terzo anno consecutivo viene offerto nell’A.A. 2010-11. Si spiega che la partecipazione al modulo
comporta, da parte dei partecipanti al modulo, una sperimentazione di una parte del percorso nella
propria classe. Questa sperimentazione prevede il supporto del Dipartimento di Fisica sia in fase di
progettazione che in fase di attuazione. Si fornirà anche supporto riguardo ai materiali di
laboratorio per mezzo di un “kit” pronto, in attesa che gli Istituti coinvolti acquisiscano il materiale
necessario allo svolgimento del laboratorio.
I partecipanti al modulo interessati a partecipare anche al laboratorio “Fisica del Volo” del PLS
2010-11 potranno partecipare ad uno/due incontri a Povo (o al Museo dell’Aeronautica Gianni
Caproni come sede esterna che ospita il PLS) con le loro classi.
Parte I Modulo Formativo
Quando il computer mette le ali
Inizia il primo incontro con un intervento di circa un ora, da parte di S. Oss, nel quale si illustra in
maniera pratica l’uso di un simulatore di volo come mezzo per introdurre svariati concetti di fisica
per mezzo degli strumenti che si trovano sul pannello di comando dell’aeroplano. Il simulatore
permette inoltre di acquisire la padronanza dei meccanismi di funzionamento delle parti di un
aeroplano e dei relativi movimenti.
Un laboratorio sotto pressione
Nella prima parte dell’incontro vengono date le motivazioni per introdurre la fluidodinamica, nelle
sue applicazioni al volo, nel curriculum della SSIIG. La fluidodinamica rappresenta uno strumento
utilissimo per affrontare svariati argomenti, non solo di fisica. Qualunque branca della scienza, dalla
biologia alla medicina, dall’ingegneria alle scienze della Terra, dalla meteorologia alla geologia
necessita di concetti di base della fluidodinamica che così si configura come un elemento
interessante per affrontare le diverse discipline, permettendo di stabilire collegamenti
interdisciplinari e trasversali.
Inoltre, l’argomento “volo” in tutte le sue implicazioni umane, storiche e tecnologiche, offre
senz’altro degli spunti utilissimi per attirare la curiosità e l’interesse dello studente già di per se
spesso affascinato da questo argomento.
Prima di iniziare si mette in evidenza come possa essere utile introdurre sin dall’inizio alcuni dei
concetti o terminologie proprie della fluidodinamica per avere poi a disposizione un linguaggio
comune con gli studenti in modo da evitare confusione. In particolare, il concetto di particella di
fluido (diversa dal più conosciuto punto materiale della meccanica), di linea di flusso o di
corrente, di sforzo di taglio e di pressione, sono essenziali per una buona comprensione dei
concetti più complessi che verranno affrontati durante il laboratorio.
La prima parte del modulo è stata dedicata ad analizzare il concetto di pressione in un fluido in
movimento. Si pone il problema di come valutare la pressione statica quando il fluido non è in
quiete. Lo strumento necessario è il tubo di Pitot e dal funzionamento di tale strumento emergerà il
significato della pressione statica, totale e dinamica di un flusso e come questo possa essere
utilizzato per determinare la velocità di quest’ultimo. Viene introdotto il concetto di punto di
ristagno o di stagnazione, come il punto dove il fluido viene portato a velocità nulla per misurare
la pressione totale. L’uso di un anemometro permette di verificare che in un getto d’aria la
pressione atmosferica è pressoché invariata nonostante l’aria abbia una velocità elevata.
Si approfondisce sull'uso corretto del Principio di Bernoulli enfatizzando che il suddetto principio
permette di fare il confronto tra la pressione statica e la velocità dell’aria lungo una linea di flusso
e non trasversalmente tra diverse linee di flusso, cosa che permette invece l’equazione di Eulero. Il
confronto tra diverse linee di flusso può essere fatto usando il Principio di Bernoulli se e solo se le
linee che si confrontano hanno avuto origine nello stesso punto nel flusso, e nelle stesse condizioni,
cioè se tutte le linee sono parallele e sono nate in condizioni statiche (velocità zero o costante).
Altrimenti non si può garantire che due linee trasversali abbiano la stessa costante di Bernoulli.
La discussione sul Principio di Bernoulli porta a riflettere sull’uso scorretto che di questo si fa per
spiegare la portanza di un'ala: le spiegazioni semplicistiche sfruttano delle idee false, come la
necessità di un profilo curvo dell’ala per ottenere portanza o di principi inesistenti come il
cosiddetto “Principio di Ugual Tempo di Transito” che è falsificato sperimentalmente.
Si affronta un altro esperimento interessante dal punto di vista didattico (che verrà, però, trattato in
modo più approfondito nel III incontro) che è quello della pallina sospesa in un getto d’aria. Si
mette in evidenza come le condizioni fisiche di questo esperimento, spesso spiegato in letteratura
usando il principio di Bernoulli, non ricadano sotto le ipotesi di lavoro del medesimo. Questo
fenomeno può essere spiegato sfruttando esclusivamente il terzo principio della dinamica e la
viscosità del fluido e permette di introdurre anche il concetto di entrainment, ovvero di
trascinamento di aria ambiente da parte del getto, fenomeno presente in qualunque getto turbolento
di fluido sommerso nello stesso (o diverso) fluido.
Si mette in evidenza come anche un altro esperimento, quello di due palline sospese tra le quali
viene fatto soffiare un getto d’aria, non abbia sempre l’atteso risultato di vedere le palline che si
attraggono, in contraddizione con la spiegazione semplicistica “alla Bernoulli”.
In conclusione, durante il primo incontro sono stati trattati i seguenti argomenti:
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Simulazione di volo con software
Pressione totale, statica e dinamica in un fluido
Uso e ragione d’uso del tubo di Pitot
Uso e abuso del Principio di Bernoulli
Esperimenti spiegati erroneamente sfruttando il Principio di Bernoulli
Un insegnante ha chiesto ulteriori chiarimenti sul ruolo dello strato limite (che si affronterà nel II
incontro) nell’uso del tubo di Pitot. Si approfitterà del II incontro per trattare questo problema.