E' meglio essere a terra desiderando di essere in volo che essere in volo e desiderare di esser a terra (proverbio dell’aviatore) 17 dicembre 1903 Wilbur e Orville Wright: il primo volo con il Flyer (North Carolina) Prima guerra mondiale (1914–1918) grande sviluppo (biplano, poi monoplano ed aerei da combattimento (figure eroiche – il Barone Rosso)) “Età dell’oro”(1918–1939): grandi progressi nella tecnologia aeronautica 1927 Charles Lindberg a bordo di un velivolo monoposto (lo Spirit of Saint Luis) trasvolò l'Atlantico da New York a Parigi in 33 ore e mezzo 1937 terribile incendio a bordo dello Zeppelin Hindenburg La seconda guerra (1939–1945) drastico incremento nel ritmo di sviluppo e produzione 1945 - 1991: La Guerra Fredda. Si sviluppa l’aviazione commerciale. Sviluppo degli aviogetti: aerei a propulsione che soppiantano quelli ad elica 1947 e il 1953 gli Americani riescono a oltrepassare il cosiddetto "muro del suono“ 12 aprile 1961: Yuri Gagarin, primo uomo nello spazio Febbraio 1969: prima versione del Jumbo. 21 luglio 1969: Apollo 11: Armstrong, Aldrin e Collins, i primi uomini a mettere piede sulla Luna 1976 - 2000 : Concorde (aereo di linea supersonico) 1981 lo Space Shuttle fa il suo primo volo orbitale 2001 – futuro: l'aviazione subsonica militare si è concentrata nell'eliminazione del pilota in favore di veicoli controllati da remoto o completamente autonomi. FORZE Una forza è un vettore e si misura in Newton [N] Una forza su un oggetto può avere due effetti: - Accelerazione - Deformazione Forze in gioco negli aerei Peso Trazione Resistenza Portanza PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE Ad ogni azione corrisponde sempre una reazione uguale e contraria. Più precisamente: quando un corpo A esercita una forza su un corpo B, anche B esercita una forza su A; le due forze hanno stesso modulo (intensità), stessa direzione, ma versi opposti. - ESPERIMENTO dinamometri a coppie - ESPERIMENTO palloncino e cannuccia http://www.youtube.com/watch?v=JkSlWpR4Ymk - ESPERIMENTO Effetto Coanda con cucchiaio - ESPERIMENTO Effetto Coanda con palloncino e phon (ala) - ESPERIMENTO: effetto Coanda con cilindro e acqua (o aria) Effetto Coanda: un getto di fluido (liquido o gas) si attacca ad una superficie curva e segue il suo profilo. All’origine del piegamento del flusso c’è la viscosità del fluido e la condizione di non slittamento (vedi più avanti). Una forza di reazione uguale e contraria alla forza che piega il fluido agisce sul cilindro. FORZE DI AZIONE E REAZIONE SU UN’ALA PORTANZA La forza di portanza deriva dal fatto che le ali degli aerei spingono l’aria verso il basso e per reazione l’aria spinge le ali verso l’alto. Esperimento : downwash … Ma perché le ali degli aerei spingono l’aria verso il basso? FORZE SU UNA PORZIONE DI FLUIDO Possono essere di due tipi: - Forze di volume : forze proporzionali al volume di fluido su cui agiscono, es.: forza peso. - Forze di superficie: forze dovute ad elementi a contatto con la superficie che delimita il volume di fluido considerato. Le forze di superficie (tra fluido e solido) possono essere: - FORZE NORMALI (la direzione della forza è perpendicolare alla superficie) in questo caso Forza/Superficie = Pressione - FORZE TANGENZIALI (la direzione della forza è parallela alla superficie) in questo caso Forza/Superficie = Sforzo di Taglio PRESSIONE La pressione è il rapporto tra la forza che agisce perpendicolare ad una superficie (forza normale) e la superficie stessa: P=F/S Si misura in Newton/m2 = Pascal - Esperimento mattone su gommapiuma e diverse superfici di appoggio - Esempio dei tacchi a spillo: la pressione è alta perché la superficie di contatto è piccola. PRESSIONE NEI FLUIDI La pressione di un fluido è dovuta agli urti delle particelle contro le http://phet.colorado.edu/en/simulation/gas-properties pareti. - ESPERIMENTO: principio di Pascal (con tubo riempito d’acqua con forellini lungo una sezione): in condizioni statiche la pressione si esercita nello stesso modo in tutte le direzioni. Se la pressione è diversa sulle due facce di un solido (o particella di fluido) allora si esercita una forza F su tale superficie: F =(P2-P1)xS Dove S è la superficie di separazione tra la zona a pressione P1 e la zona a pressione P2. ESEMPI: - Giornale con righello - Spinta di Archimede - Emisferi di Magdeburgo - Manometro ad U - Bicchiere e membrana … E se il fluido è in movimento? LA PRESSIONE DI UN FLUIDO IN MOVIMENTO La pressione di un fluido in movimento è la somma di due componenti: Pressione statica (dovuta al movimento aleatorio delle molecole d’aria) Pressione dinamica (legata alla densità del fluido e alla velocità relativa del fluido stesso) Ptot Pstatica Pdinamica Pstatica densità del 1 2 v 2 fluido v velocità relativa Lungo un tubo di flusso, in condizioni di flusso laminare e di fluido non viscoso, la pressione totale si mantiene costante, mentre possono cambiare i valori parziali di pressione statica e pressione dinamica. IL TUBO DI PITOT Come si misura la pressione in condizioni dinamiche? (nel vento – in volo) pressione totale (statica + dinamica) pressione statica pressione dinamica velocità FORZE TANGENZIALI Se un fluido è in movimento, oltre alla pressione devono essere anche considerati gli sforzi di taglio, ossia la forza che agisce parallelamente alla superficie diviso la superficie stessa. La resistenza che un fluido oppone alla deformazione causata dagli sforzi di taglio si chiama VISCOSITÀ http://media.efluids.com/galleries/educational?medium=14 LO STRATO LIMITE VISCOSITÀ E NO–SLIP CONDITION Quando un fluido fluisce sopra una superficie solida, si forma uno strato sottile di fluido (il cosiddetto strato limite) che si attacca alla superficie (no-slip condition). All’interno dello strato limite la velocità relativa tra la superficie e il fluido passa da zero (vicino alla superficie solida) fino al valore massimo della velocità . - Esperimento: cilindro con polvere di gesso e getto d’aria - Esperimento: cilindro in glicerina: il cilindro, ruotando, trascina uno strato di inchiostro. - Esempio di spiaggia con vento http://media.efluids.com/galleries/educational?medium=13v http://www.youtube.com/watch?v=jx8j2OVZKjc&feature=related STRATO LIMITE SU UN PROFILO D’ALA La viscosità del fluido è la prima responsabile di cosa avviene realmente tra l’aria e l’ala 1) La viscosità serve per generare un “aggancio” dell’aria alla superficie dell’ala (condizione di non slittamento) 2) Ma (per fortuna!) conta in uno strato molto sottile (strato limite). Fuori dallo strato limite la viscosità (per il caso dell’aeroplano) è trascurabile e possiamo ragionare in termini di pressioni: l’aria sopra lo strato limite scende verso il basso (downwash) perché risucchiata in una zona dove la pressione è minore. (http://www.diam.unige.it/~irro/lecture.html) Perché ci sia portanza, la pressione sotto l’ala deve essere maggiore della pressione sopra. Verifica sperimentale (vedi figura) … e con una simulazione http://www.mh-aerotools.de/airfoils/velocitydistributions.htm DOWNWASH Gli aeroplani possono volare grazie alla velocità dell’aria. L’aria si attacca alle ali degli aeroplani, modificando la sua traiettoria e generando “downwash” (l’aria è spinta verso il basso). Sotto determinate condizioni la superficie superiore dell’ala fa “divergere” un flusso d’aria. La quantità di aria deviata è direttamente collegata alla forza di portanza sull’ala. PROFILO D’ALA ANGOLO DI ATTACCO DI UN’ALA FLUSSI D’ARIA E PRESSIONE A DIVERSI ANGOLI DI ATTACCO Zone azzurre: la pressione è bassa Zone rosa: la pressione è alta http://www.diam.unige.it/~irro/profilo1a.html Dai grafici si può notare che: l’aria è più veloce sopra l’ala La pressione è minore sopra l’ala Aumentando l’angolo di attacco la portanza aumenta (aumenta la differenza di pressione tra sotto e sopra l’ala) PORTANZA PER ANGOLO DI ATTACCO α =0 Se l’angolo di attacco è zero è possibile avere portanza quando il camber (vedi la figura del profilo d’ala) è maggiore di zero, ossia quando l’ala è più “bombata” sopra. PORTANZA IN FUNZIONE DELL’ANGOLO DI ATTACCO stallo La portanza aumenta con l’angolo di attacco fino ad un certo valore, poi diminuisce bruscamente: è il fenomeno dello STALLO. In condizioni di stallo lo strato limite perde aderenza con l’ala Perdita di portanza: http://www.youtube.com/watch?v=6UlsArvbTeo Linee di flusso attorno ad un profilo alare a diversi angoli di attacco (a)low angle of attack (b) high angle of attack (c) stalled flow Per evitare lo stallo: “energizzare” lo strato limite con l’ausilio di piccole rugosità sulla superficie. In questo modo lo strato limite sull’ala di un aeroplano subisce, in modo naturale, una transizione dal regime laminare a quello turbolento. La turbolenza all’interno dello strato limite aiuta a mantenerlo incollato alla superficie dell’ala ritardando la separazione (stallo). LINKS E MATERIALE MULTIMEDIALE sito del PLS dell’università di Trento http://fisicavolo.wordpress.com/ Sito della NASA http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/short.html La storia dei fratelli Wright http://wright.nasa.gov/index.htm Un pilota spiega il volo http://www.av8n.com/how/ Mette in luce misconcezioni sul volo http://www.terrycolon.com/1features/fly.html Bernoulli sì o no? http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/Mis6/mis6.html Discussione sulla portanza http://amasci.com/wing/airfoil.html#articles Discussioni in volo http://utenti.quipo.it/volare/ See how it flies! http://www.av8n.com/how/ Le cose più importanti da sapere… in volo! http://home.comcast.net/~clipper-108/lift.htm National Air and Space Museum http://www.nasm.si.edu/exhibitions/gal100/gal100.html Un’animazione vale mille grafici. http://www.diam.unige.it/~irro/profilo.html Shapiro al cinema http://web.mit.edu/hml/ncfmf.html Immagini varie di fenomeni fluidodinamici http://www.efluids.com/ BIBLIOGRAFIA “A History of Aerodynamics”, John D. Anderson Jr. Cambridge University Press “What makes airplanes fly? History, Science and Applications of Aerodynamics”, Peter P. Wegener, Springer-Verlag “Understanding Flight”, 2° Ed. , David F. Anderson & Scott Eberhardt, McGraw Hill “The Simple Science of Flight, From Insects to Jumbo Jets”, Henk Tennekes, The MIT Press “Profili veloci: la resistenza al moto nei fluidi” (Shape and Flow)” Ascher H. Shapiro, Zanichelli “Aerodynamics, Selected Topics in the Light of their Historical Development”, Theodore Von Kàrmàn, Dover Publications Inc. “Progress in Flying Machines”, Octave Chanute, Dover Publications Inc. “Il volo degli uccelli come base dell’arte del volo”, Otto Lilienthal, LoGisma Editore “How we invented the airplane: An Illustrated History”, Orville Wright “The Wright Brothers: How they invented the airplane”, Russell Freedman