Curcu - La Fisica del Volo

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