SCHEDE DEGLI ESPERIMENTI Laboratorio Fisica del Volo A.A

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1 SCHEDE DEGLI ESPERIMENTI Laboratorio Fisica del Volo A.A ESPERIMENTO N.1: Le due bilance e il downwash - 2 bilance - Un mezzo cilindro di metallo o PVC o un profilo alare - Una lamina di metallo - Sostegni Scopo: Dimostrare che la portanza è una conseguenza della deviazione della direzione dell aria come risultato della sua interazione con il profilo alare. La conseguenza di questa deviazione, che avviene nel primo quarto della corda dell ala, è il downwash, ovvero, lo scarico d aria verso il basso generato dall ala. Si verifica che la portanza misurata dalla bilancia (peso negativo) è pari alla quantità d aria raccolta nella seconda bilancia ( downwash ) Esperimento: Si posizionano le due bilance una accanto all altra. Su di una si colloca il mezzo cilindro (o il profilo) su di un asta, e sulla seconda la lamina piatta, facendo attenzione che la lamina ed il cilindro siano separati. Si procede ad accendere la ventola che provoca il vento, e si vede che la bilancia con il mezzo cilindro registra un peso minore (esperimenta dunque una portanza, viene sollevata) mentre l altra bilancia registra un peso maggiore) pari (entro l errore di misura) a quello dell altra. 1

2 ESPERIMENTO N.2: Misura della pressione lungo la parte superiore di un mezzo cilindro lo stesso dell esperimento N.1 Scopo: Misurare il profilo di pressione sopra il mezzo cilindro. Ricavando i valori della pressione statica punto per punto e dividendo il cilindro in settori rettangolari possiamo ricavare la forza di portanza che agisce sul cilindro (dall interazione con il getto d aria) e verificare quindi che la portanza è una conseguenza del campo di pressione attorno al cilindro. Esperimento: Il cilindro è dotato di forellini che permettono di misurare la pressione punto per punto sulla sua superficie (usando un manometro differenziale), nella configurazione descritta nell esperimento precedente. La portanza è pari all integrale di queste pressioni su tutta la superficie del cilindro. 2

3 ESPERIMENTO N.3: Dimostrazione della condizione di no slittamento (no-slip condition) - Polvere da gesso - Cilindro (lattina d olio ricoperta di lamina adesiva) - Ventola Scopo: Dimostrazione del fatto che le particelle di fluido (non le molecole di cui il fluido è composto!) nello strato a contatto con la superficie solida sulla quale il fluido scorre sono ferme. Ovvero: quando un fluido scorre ad una certa velocità su una superficie solida, la velocità relativa tra la superficie e lo strato di fluido a contatto con essa è nulla. Esperimento: Si butta un po di polvere da gesso su una superficie lucida. Si può appoggiare la mano e lasciare l impronta. Si mette il cilindro sotto la ventola e si osserva che la polvere non va via completamente anche se il flusso d aria è di km/h: l impronta della mano rimane. Difatti, le macchine non si puliscono mentre si viaggia, non è nemmeno sufficiente spruzzarle con acqua (anche qui vale la no-slip condition ): bisogna strofinarle con un panno per eliminare tutte le tracce di polvere. 3

4 ESPERIMENTO N.4: Dimostrazione della condizione di no slittamento (no-slip condition) e della formazione dello strato limite - Cilindro di PVC (in alternativa un bicchiere capovolto) - Glicerina (in alternativa miele) - Inchiostro nero o blu - Siringa intradermica - Contenitore di vetro piatto (in alternativa un piatto) Scopo: Ulteriore dimostrazione della condizione di non slittamento (vedi Esperimento 3). In questo caso con un liquido vediamo che la parte di fluido a contatto con la superficie solida viene da questa trascinata alla stessa velocità (quindi la loro velocità relativa è nulla). Inoltre, visualizziamo la formazione dello strato limite: uno strato di spessore dipendente dal tempo e nel quale la velocità passa da zero (al confine con la superficie solida) fino al valore della corrente esterna. Vediamo anche che gli strati di fluido lontani dalla superficie solida che si muove vengono gradualmente coinvolti nel moto da questa generato tramite gli sforzi di taglio (e quindi per mezzo della viscosità del fluido) che agiscono tangenzialmente alla superficie ma si propagano perpendicolarmente alla direzione del flusso. Esperimento: Riempire il piattino di vetro con glicerina, posizionare il cilindro nel centro e disegnare con la siringa una sottile riga di inchiostro che colleghi la superficie del cilindro con il bordo del vetro. Girare lentamente il cilindro e osservare la condizione di no slittamento e la formazione dello strato limite. 4

5 ESPERIMENTO N.5: Palloncino e getto d aria: azione-reazione - Palloncino - Dinamometro - Filo - Getto d aria Scopo: L obiettivo di questo esperimento è dimostrare che quando un fluido in movimento interagisce con una superficie solida si generano delle forze su quest ultima 1. Esperimento: Attaccare un dinamometro con un filo ad un palloncino e tenendolo liberamente sospeso nel getto d aria misurare la forza con la quale il palloncino viene attirato verso il getto. Attenzione: E fondamentale ribadire quando si procede con questo esperimento che il suo obiettivo è dimostrare DEVIAZIONE DI FLUSSO D ARIA = FORZA RISULTANTE Più avanti si sfrutterà questo fatto per spiegare che una profilo alare (indipendentemente dalla sua curvatura) devia il flusso d aria che incontra (e quindi lo rende asimmetrico sopra e sotto l ala) ed è questo che genera la forza di portanza. Ricordiamo che il getto è comodo per fare svariati esperimenti in laboratorio ma che gli aeroplani NON volano in getti d aria. 1 Durante il percorso emerge che l interazione può avvenire tramite la pressione (forze perpendicolari alla superficie) e/o tramite gli sforzi di taglio (forze tangenti alla superficie). La risultante di questi due meccanismi di interazione fluido-solido è la forza misurata con il dinamometro 5

6 ESPERIMENTO N.6: Misura del profilo di pressione lungo un profilo alare - Profilo alare con prese di pressione statica lungo la sua superficie - Multi-manometro a U Scopo: Mostrare qualitativamente il campo di pressione su un profilo alare. Vedere che: i) il massimo della portanza (minimo di pressione) corrisponde al primo quarto della corda dell ala ii) il massimo della pressione corrisponde al punto di ristagno (dove la velocità del flusso va a zero e si misura la pressione totale) iii) il punto di ristagno si trova: - Nel bordo di attacco dell ala se il profilo è simmetrico e ad angolo di attacco nullo (portanza nulla) o se è asimmetrico ad angolo di attacco nullo (portanza positiva) - Sotto il bordo di attacco dell ala se il profilo e simmetrico o asimmetrico e ad angolo di attacco positivo (portanza positiva) - Sopra il bordo di attacco dell ala se il profilo e simmetrico o asimmetrico e ad angolo di attacco negativo (portanza negativa o deportanza) iv) La pressione sopra l ala passa da un massimo (al punto di ristagno), per un minimo (primo quarto della corda dell ala) fino ad una pressione di nuovo maggiore (verso il bordo di uscita dell ala) e sempre più vicina alla pressione atmosferica. Sotto l ala la pressione varia molto meno ed è comunque molto più vicina alla pressione atmosferica. C è una differenza netta tra il campo di pressione sotto e sopra l ala v) Il campo di pressione cambia lungo il profilo dell ala e questo spiega che l aria acceleri nel primo quarto dell ala (dove la pressione è minore) e deceleri verso il bordo di uscita (dove la pressione aumenta) perche l aria accelera se trova una pressione minore a valle, e decelera se viaggia contro una pressione avversa (maggiore) come avviene verso il bordo di uscita dell ala. 6

7 vi) Se l angolo di attacco aumenta oltre un certo limite, osserviamo che la portanza crolla mentre la pressione nel primo quarto dell ala aumenta (diventa vicina alla atmosferica); questo mostra lo stallo (distacco dello strato limite) e si può spiegare dopo aver fatto le considerazioni elencate sopra. Aumentando l angolo di attacco aumenta la pressione verso il bordo di uscita: di conseguenza l aria, trovando a valle una pressione maggiore torna indietro (verso la zona di pressione minore) e questo provoca il suo distacco dalla superficie e quindi lo stallo (perdita di portanza) Esperimento: Si posiziona il profilo alare su un supporto e su una bilancia azzerando il tutto. Si attacca ciascuno dei tubicini di plastica ai corrispondenti tubi del multi-manometro a U e si posiziona il profilo di fronte al getto d aria. Si osserva che la bilancia segna un peso negativo (portanza). Sul manometro a U si osserva il campo di pressione lungo la superficie del profilo e si può osservare lo stallo, il ruolo dell angolo di attacco, della velocità del vento, ecc. 7