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Barile David 4 A C

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Barile David 4^ A costruzione
Il numero di Mach
Definizione e utilizzo:
Numero adimensionale utilizzato in fluidodinamica.
Il numero di Mach (Ma) è un numero adimensionale definito come il rapporto tra la velocità di un
oggetto in moto in un fluido e la velocità del suono nel fluido considerato. Il nome deriva dagli studi del
fisico e filosofo austriaco Ernst Mach.
Il suo utilizzo è di basilare importanza in fluidodinamica e in particolare in tutte le applicazioni
aeronautiche, in cui viene considerato anche come una misura della velocità macroscopica.
In fluidodinamica e aerodinamica viene utilizzato per definire il tipo di moto attorno a oggetti ad alta
velocità (aerei, razzi), così come nel caso di flussi interni all'interno di ugelli, diffusori o gallerie del
vento.
Interpretazione fisica:
Il numero di Mach permette di stabilire quanto siano importanti gli effetti di comprimibilità del fluido in
esame. Quando infatti il valore del numero di Mach è ridotto al di sotto del valore 0,3 si commette un
errore trascurabile considerando il valore della densità costante.
• In fisica, il numero di Mach definisce il rapporto tra una velocità macroscopica e la velocità di
propagazione delle onde longitudinali nel mezzo considerato.
• In ambito aeronautico, per esempio Mach = 1 (in gergo aeronautico) significa viaggiare a una
velocità pari a quella del suono, Mach = 2 al doppio della velocità del suono e così via.
Al livello del mare in condizioni di atmosfera standard (corrispondenti a una temperatura di 15 gradi
Celsius), la velocità del suono è 331,6 m/s (1.193,76 km/h, o 644,58 nodi, o 1116 ft/s). La velocità
rappresentata da Mach 1 non è una costante; per esempio, dipende principalmente dalla temperatura.
Poiché la velocità del suono aumenta all'aumento della temperatura ambiente, la velocità effettiva di
un oggetto che viaggia a Mach 1 dipende dalla temperatura del fluido attraverso il quale l'oggetto
passa. Il numero di Mach è utile perché il fluido si comporta in modo simile a un dato numero di Mach,
indipendentemente da altre variabili. Quindi, un aereo che viaggia a Mach 1 a 20 °C a livello del mare
sperimenterà le stesse onde d'urto di un aereo che viaggia a Mach 1 a 11.000 m a -50 °C, anche se il
secondo aeromobile sta viaggiando solo all'86% della velocità del primo.
Aerodinamica esterna:
Il moto attorno ai corpi può essere classificato in sei
diverse condizioni a cui corrispondono diversi
comportamenti fluidodinamici, a seconda del numero di
Mach locale:
In regime transonico, il campo di moto include sia parti
subsoniche sia supersoniche. Al crescere della velocità
macroscopica, il regime transonico comincia quando
appare la prima zona supersonica. Nel caso di un profilo
alare, questo accade generalmente sul dorso dell'ala. Il
flusso supersonico può decelerare solo con un'onda
d'urto normale, prima del bordo d'uscita dell'ala.
Al crescere della velocità asintotica (ovvero lontano dal corpo), la zona supersonica si estende verso il
bordo d'uscita e il bordo d'attacco dell'ala. Quando la velocità macroscopica supera la condizione di
Ma = 1 (muro del suono), l'onda d'urto normale raggiunge il bordo d'uscita, mentre davanti all'oggetto
si crea un'ulteriore onda d'urto normale.
Nel caso di regime ipersonico questa brusca variazione di tali grandezze può portare a fenomeni di
ionizzazione e dissociazione delle molecole di gas.
Aeronautica:
Come premesso, il Mach in aeronautica viene
utilizzato come unità di misura della velocità
macroscopica. La definizione è data considerando
il numero di Mach ottenuto calcolando il rapporto
tra velocità del velivolo e velocità del suono per
l'aria una volta che sia fissata la quota di volo.
Il superamento della velocità del suono divenne
una grossa sfida quando i motori aeronautici
divennero sufficientemente potenti. Fra il 1930 e il
1940, il tentativo di superare questa velocità portò
all'adeguamento delle prestazioni dei motori e della
forma aerodinamica degli aeroplani.
Gli aeroplani commerciali di linea viaggiano in
genere poco sotto Mach 1, mentre la maggior
parte degli aerei militari possono superarlo e
arrivare a volte a Mach 2 o 3. Gli unici aerei di
linea a volare in regime supersonico sono stati il
franco-britannico Concorde e il sovietico Tupolev
Tu-144. Velocità macroscopiche fino a Mach 10
sono state raggiunte da apparecchi sperimentali o
dai lanciatori spaziali e dalle navette spaziali.
Un aereo in volo a velocità transonica. La nuvola conica, dovuta alla
condensazione dell'umidità presente nell'aria, causata dalla
diminuzione di temperatura e pressione.
Numero di Mach critico:
In aerodinamica, il numero di Mach critico (o anche Mach critico inferiore) è la più bassa velocità della
corrente indisturbata (espressa in funzione del numero di Mach) alla quale si manifesta sul profilo
alare una zona dove la velocità del flusso è sonica (pari a Mach 1).
Descrizione del fenomeno:
Per un aeromobile, la velocità del flusso dell'aria attorno alle sue superfici non è esattamente pari a
quella di volo. L'aria accelera e rallenta in funzione della geometria che incontra e, al numero di Mach
critico, sono presenti zone in cui la velocità dell'aria è pari a quella del suono anche se la velocità di
volo è inferiore a Mach 1.
Il Mach critico dipende fortemente dalla forma del corpo e dall'angolo di incidenza con la corrente
d'aria. Aumentando la velocità del flusso oltre il numero di Mach critico, la regione in cui la velocità è
supersonica si estenderà a creare una "bolla supersonica" immersa in un flusso subsonico. Nella
parte anteriore della bolla, a causa della geometria del profilo, nasceranno delle deboli onde di
espansione attraverso le quali il flusso di aria accelera.
Queste onde di espansione, incontrando la linea sonica che delimita la bolla nella parte superiore,
verranno riflesse come onde di compressione attraversando le quali il flusso, invece, decelera.
Queste onde di compressione, data la geometria del dorso del profilo, risulteranno convergenti,
tendendo a coalescere sulla parete posteriore della bolla e dando origine ad un urto normale, a valle
del quale la velocità torna subsonica.
Aumentando ancora la velocità, l'urto s'intensifica e si sposta verso valle mentre la bolla supersonica
continua ad estendersi. I profili alari sono generalmente asimmetrici e ciò comporta che sul ventre del
profilo (usualmente più piatto) la bolla supersonica si sviluppi a velocità più elevate che per il dorso e
che tenda a spostarsi più rapidamente verso il bordo di uscita del profilo. Per velocità prossime a
Mach 1 gli urti sul dorso e sul ventre del profilo si ricongiungono al bordo di uscita e la bolla
supersonica si estende per tutto il profilo tranne una piccola regione sul bordo d'attacco in cui il flusso
rimane subsonico. A un Mach poco superiore a 1, la bolla supersonica sparisce (essendo ormai il
flusso che investe il profilo supersonico) e compare un urto staccato davanti al corpo che crea una
piccola bolla moderatamente subsonica al bordo d'attacco. Per questo motivo non esiste una chiara
definizione di numero di Mach critico superiore del campo transonico, anche se la regione subsonica
(assai limitata nell'estensione e destinata a ridursi rapidamente al crescere del Mach) genera effetti
trascurabili sul profilo che può essere studiato come fosse effettivamente immerso in un campo di
velocità completamente supersoniche.
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