Problemi di aerodinamica applicati alle equazioni del moto

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1 Problemi di aerodinamica applicati alle equazioni del moto Avaria dei motori durante il volo Si supponga che durante il volo di un aereo, una avaria porti allo spegnimento dei motori. Il pilota riesce a mantenere il controllo del velivolo, facendolo planare con un angolo di discesa pari a =5. Si calcoli: (1) i valori di portanza (L) e resistenza (D) supponendo che il velivolo scenda a velocità costante e che le forze siano disposte come in figura; (2) la distanza percorsa prima del punto di impatto al suolo; (3) lo spazio di frenata, supponendo che l'avaria non consenta l'apertura del carrello, che la velocità orizzontale dopo l'impatto sia l'80% di quella iniziale, che la zona di atterraggio sia composta da asfalto asciutto con coefficiente d'attrito μ (4) lo spazio di frenata nel caso in cui la zona di atterraggio sia composta per 300 m da asfalto asciutto con coefficiente d'attrito μ e per il restante da asfalto bagnato con coefficiente d'attrito ν. (5) Scrivendo il bilancio dell'energia tra il punto in cui si spengono i motori e il punto dell'impatto al suolo cosa si può osservare? Dati: massa dell'aereo m=9000 Kg velocità iniziale v volo =100m/ s quota di volo q=5000m coefficienti di attrito =0.5, =0,4

2 Soluzione (1) Se il velivolo scende a velocità costante il bilancio delle forze agenti sul corpo deve essere uguale a zero: M g L D=0 Scomponendo lungo i due assi: x') L=M g cos =87900 N y') D=M g sin =7690 N (2) Nel momento in cui si spengono i motori l'aereo inizia la discesa a velocità costante. Seguirà quindi una retta inclinata di =5 rispetto all'asse x. La distanza percorsa può essere calcolata geometricamente: X = q tan =57000 m

3 (3) Il problema si può semplificare come quello di un corpo che si muove orizzontalmente con velocità iniziale v A (velocità di atterraggio). Calcoliamo la velocità orizzontale: v A = v volo =80m/ s Le forze agenti sul corpo sono tre: la forza peso, la reazione vincolare e la forza di attrito. m g R F att =m a Scomponendo lungo gli assi: { R m g=0 F att =m a x Risulta: a x = g L'equazione che determina la velocità dell'aereo in funzione di t è quella del moto uniformemente accelerato: v x t =v 0 a t=v A g t

4 L'aereo si fermerà quando la sua velocità v X (t) sarà uguale a zero. Detto quindi t F il tempo di frenata, risulta: t F = v A g =16s L'equazione dello spazio è data da: s t =s t=0 v 0 t 1 2 a t 2 =v 0 t 1 2 g t2 Lo spazio di frenata sarà quindi uguale a: s F =v A t F 1 2 g t 2 F= v 2 A g 1 2 g v 2 A = g v 2 A 2 g =650 m (4) In questo caso bisogna tenere conto che l'aereo percorre prima 1 Km su un suolo con con coefficiente d'attrito μ, poi su un suolo con coefficiente d'attrito ν. Chiamati A e B rispettivamente il punto di atterraggio e il punto in cui inizia il secondo materiale, ci proponiamo come primo passo di calcolare v B, ovvero la velocità dell'aereo in B. L'equazione del moto si scrive come nel punto (3) s t =s t=0 v 0 t 1 2 a t 2 =v 0 t 1 2 g t2 Si calcola quindi il tempo necessario per percorrere 300 m: 300m=v A t B 1 2 g t 2 B t B =4,5 s Infine la velocità v B è data da:

5 v t =v 0 a t v B =v t=t B =v A g t B v B =58m/ s A questo punto l'esercizio si risolve come al punto (3): t F = v B g t B=20s s F =300 v B t F 1 2 g t 2 F=300 v 2 B 2 g =715 m (5) Scrivendo il bilancio dell'energia si osserva che, essendo la velocità costante, tutta l'energia potenziale posseduta alla quota q viene dispersa sotto forma di lavoro delle forze di attrito. mgq 1 2 m v 2 0= 1 2 m v 2 0 L forze attrito L'attrito in aerodinamica ha un ruolo essenziale. Infatti se non ci fossero le forze di attrito un aereo non potrebbe volare. Analizziamo brevemente come si crea la forza di portanza che permette ad un aereo di volare. Il flusso d'aria che investe un profilo alare si divide: una parte passa sopra l'ala, l'altra sotto. Il profilo è fatto in maniera tale che l'aria che passa sopra l'ala abbia una velocità maggiore rispetto all'aria che passa sotto l'ala. Questo consente che si sviluppi una differenza di pressione tra ventre e dorso dell'ala, e quindi una forza che spinge verso l'alto.

6 Curiosità - La soluzione da un punto di vista ingegneristico Un problema pratico molto interessante dal punto di vista ingegneristico è quello di determinare la massima distanza che può percorrere un aereo dal momento in cui un avaria causi lo spegnimento dei motori. A questo quesito si risponde analizzando l'efficienza aerodinamica, ovvero il rapporto tra la portanza L e la resistenza D che agiscono sul velivolo: E= L D L e D possono essere espressi in funzione della densità dell'aria ρ, del quadrato della velocità v, della superficie alare S e dei coefficienti C L e C D : E= L D = v2 C L S v 2 C D S = C L C = L 2 C D C D0 k C L C L e C D sono rispettivamente il coefficiente di portanza e il coefficiente di resistenza; il primo fornisce una misura della forza che si sviluppa su un profilo alare; il secondo rappresenta la resistenza aerodinamica di un corpo in moto dentro un fluido. Questi valori vengono calcolati sperimentalmente nella galleria del vento; ogni profilo alare ha la sua curva caratteristica, solitamente parabolica. Calcolando la derivata dell'espressione precedente, si può valutare il valore per cui si ha l'efficienza massima: 2 de dt = C k C D0 L C D0 k C 2 L =0 C 2 D0=k C 2 L Ovvero: = C C D0 L k Sostituendo questo valore nell'espressione dell'efficienza, si ottiene l'efficienza massima: 1 E max = 2 C D0 k

7 All'efficienza massima corrisponde il minor angolo di discesa ammissibile: min = 1 E max La massima distanza percorribile si calcola geometricamente, come nel caso dell'esercizio precedente: X max = h min =h E max Come è stato detto precedentemente i coefficienti C D e C L dipendono dal tipo di profilo alare. In questa figura si può osservare come un profilo maggiormente aerodinamico avrà un coefficiente di resistenza minore, quindi a parità di C L svilupperà una portanza maggiore. I coefficienti C D e C L non dipendono soltanto dal tipo di profilo, ma anche dalla superficie alare S e dall'angolo di attacco α dell'ala. In particolare C D e C L sono direttamente proporzionali a α e S.

8 E' interessante fare un'ultima osservazione sulla superficie dell'ala. A bordo di un aereo si può facilmente osservare che durante le fasi decollo e atterraggio le ali vengono modificate nella geometria attraverso l'estensione di flap e ipersostentatori. Questo perché in queste due fasi l'aereo ha necessità di una maggiore portanza; i flap e ipersostentatori aumentano la superficie alare e determinano quindi una maggiore portanza.

9 Il BASE Jumping Il Base Jumping è uno sport estremo che consiste nel lanciarsi da rilievi naturali, edifici, ponti, elicotteri o aerei, planare mediante una tuta alare e infine atterrare mediante un paracadute. Il nome Base Jumping è stato coniato da Carl Boenish nel 1978; è una sigla che rimanda ai luoghi dai quali solitamente si effettua un lancio: Buildings (edifici); Antennas (torri abbandonate); Span (ponti); Earth (scogliere o altri tipi di formazioni naturali). Una tuta alare è generalmente costituita da un doppio strato tessuto di poliammidi posto tra ciascun braccio e il tronco del pilota ed un altro doppio strato posto tra le gambe. Il flusso d'aria che investe il corpo gonfia le bocche poste sotto le ascelle e sotto l'inguine, in modo da far assumere alla tuta uno o più profili alari, e sviluppa la portanza necessaria a consentire l'avanzamento. L'angolo ottimale delle ali tra il busto e le braccia è il risultato di un compromesso. Infatti, maggiore è l'apertura delle braccia, tanto più aumenta la superficie alare e quindi la portanza. Allo stesso tempo però, più grande è l'ala maggiore sarà la forza necessaria per controllarla. Gli studi hanno portato ad affermare che l'angolo ottimale è di circa 80 per le braccia e 40 per le gambe. Se il lancio avviene da un aereo, e si possiede quindi una velocità iniziale sufficientemente elevata, la tuta alare è capace di sviluppare immediatamente portanza. Nel caso in cui invece il lancio

10 avvenga da postazione fissa, è necessaria una caduta verticale di almeno 200 metri prima che si generi una portanza che consenta l'avanzamento orizzontale. Oggi le migliori tute alari hanno un'efficienza aerodinamica di 3:1, ovvero per ogni metro di caduta ve ne sono tre di avanzamento orizzontale. Il pilota modifica la posizione del corpo - inarcandosi o piegando spalle, fianchi e ginocchia - e cambiando così l'angolo di attacco tra profilo alare e flusso d'aria; questo consente una variazione di pressione tra ventre e dorso dell'ala, e quindi una variazione di portanza. Il 23 maggio 2012 lo stuntman inglese Gary Connery è diventato il primo uomo ad atterrare in tuta alare senza paracadute. Dopo un salto dall'elicottero a 730 metri di quota nei pressi di Henley on Thames e dopo aver raggiunto la velocità di 130 km/h è atterrato incolume su di una striscia di scatole di cartone lunga 100 metri, larga 15 e alta 3,6 metri. Wingpack Come aumentare l'efficienza aereodinamica Le wingpack sono delle ali rigide munite di motore. Attualmente ancora in fase di sperimentazione, si indossano come uno zaino. Possono arrivare ad ottenere un efficienza aerodinamica pari a 6:1, in quanto la portanza che si sviluppa sulle ali ali delle wingpack è maggiore rispetto a quella che si sviluppa sulle ali delle tute alari. La portanza è infatti direttamente proporzionale alla superficie dell'ala S e al quadrato della velocità v: L= 1 2 C L v2 S Nelle wingpack l'aumento della superficie alare è consentito dalla rigidezza delle ali, l'aumento della velocità è dato dal motore.

11 Problema di Gary Connery: calcolo del punto di atterraggio Gary Connery, dovendo atterrare senza paracadute su una striscia di scatole di cartone, si è trovato di fronte al problema di calcolare il punto di atterraggio. I dati di cui dobbiamo tenere conto sono: al momento del lancio, si possiede una velocità orizzontale iniziale uguale a v 0x ; la tuta alare viene dispiegata solo dopo aver percorso 160 metri in verticale; dal momento in cui si dispiega la tuta alare, si viaggia ad una velocità approssimativamente costante percorrendo 3 metri in orizzontale per ogni metro percorso in verticale. Conoscendo il punto esatto in si lancia dall'elicottero, dove devono essere disposte le scatole di cartone? Dopo quanti secondi e a che velocità verticale viene dispiegata la tuta alare? Dati: massa m=80 Kg quota di lancio y 0 =800m velocità iniziale v 0x =7 m/s Soluzione Il volo deve essere diviso in due momenti: la fase che precede l'apertura della tuta alare, in cui l'uomo si muove di moto uniformemente accelerato, e la fase successiva in cui si muove a velocità costante. Durante la prima fase si avrà quindi un moto parabolico, durante la seconda un moto rettilineo. Nella prima fase abbiamo due equazioni per la velocità: v y t = g t= 9.8t v x t =v 0x =7 e due equazioni per lo spazio: y t = y g t2 =800 4,9 t 2 x t =v 0x t=7t Si ricava il tempo dalla seconda equazione e si sostituisce nella prima, ottenendo l'equazione del moto in termini di x e y: y=y 0 g x2 2 v = x 10 x2

12 Sappiamo che la tuta alare viene dispiegata dopo aver percorso 160 m in verticale, ovvero ad un altezza di 640 m dal suolo. Chiamando D questo punto, le sue coordinate saranno: y D = = x 2 D x D =40 Allora a partire D 40, 640 il moto sarà a velocità costante, e seguirà una linea retta. L'equazione della retta è determinata dal coefficiente angolare m= 1/3 (infatti l'efficienza aerodinamica consente di percorrere 3 metri in orizzontale per ogni metro percorso in verticale), e dalle coordinate del punto D in cui deve passare la retta. y D = 1 3 x q q= y 1 D D 3 x =640 1 D 3 40=653

13 La retta cercata è quindi: y= 1 3 x 653 Il punto di incontro della retta con l'asse x determina il punto di atterraggio x A : 1 3 x 653=0 x =1960 m A Calcoliamo infine il tempo trascorso dal lancio all'apertura della tuta alare e la velocità nel momento dell'apertura della tuta alare. Basterà prendere l'equazione del moto lungo x (analogamente si potrebbe fare con l'equazione lungo y) e trovare il tempo impiegato per arrivare nel punto D: x D =x t=t D =v 0x t D 7t=40 t=5,7 s Nel momento in cui viene dispiegata la tuta alare, la velocità verticale v D sarà pari a: v y t=t D =v D = g t D v D = 55m/ s