L importanza della portanza

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1 Modulo di formazione La Fisica del Volo: Un approccio didattico alla fluidodinamica A.A Teresa López-Arias L importanza della portanza Progetto Lauree Scientifiche

2 Nella scorsa puntata.. Resistenza di attrito e di pressione (o forma) Necessità di profili affusolati per ridurre la resistenza di forma ed evitare il distacco dello strato limite (filmato # 651) Lo stallo e la sua dipendenza dall angolo di attacco Lo strato limite turbolento per prolungare l incollamento dello strato limite anche in condizioni sfavorevoli (angoli di attacco alti)

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4 Riflessione sul percorso ed i suoi obiettivi Il volo come elemento di interesse per motivare lo studio più approfondito della fluidodinamica Discussione su oggetti volanti, idee e teorie sulla portanza (di solito viene fuori la pressione, Bernoulli, la curvatura dell ala..) Mettere in crisi le idee sbagliate : perché serve un ala curva? Quale pressione è minore? Ma l aria è davvero non viscosa? (ipotesi per applicare Bernoulli).. (si appura, spesso, che..) Il concetto di pressione non è chiaro (neanche quella statica in condizioni statiche) e, in ogni caso, bisogna ridefinire la pressione per un fluido dinamico (in movimento) Bernoulli e l aria vera (reale e viscosa) sono forse incompatibili?

5 Possibili percorsi Percorso completo: arrivare alla comprensione dell origine della portanza a traverso il concetto di pressione, sforzo di taglio, strato limite e usando il principio di azione-reazione (vedi dopo) Blocchi scelti del percorso: sfruttare un concetto di base del percorso per valorizzarlo nelle sue applicazioni al volo e altro ancora Esempio I: i flussi altamente viscosi (corpo umano, ghiacciai, corteccia terrestre, capillari); esperimento sulla no-slip condition + piccolo cenno al numero di Reynolds; regimi laminari e turbolenti Esempio II: misura del profilo di pressione su un cilindro; ricavarsi la portanza dall integrale (somma di PxA) della pressione sulla superficie: bisogna capire la Pstat in condizioni dinamiche

6 Percorso completo Effetto Coanda Visualizzare (fili) cosa fa l aria attorno a vari oggetti Misurare (palline e dinamometro) le forze associate all osservata deviazione dell aria Azione-reazione: deviazione (curvatura) dell aria - > portanza

7 downwash +18 g -18 g Tubo di Pitot (definizione di pressione in condizioni dinamiche) Misurare la pressione statica lungo un profilo (mezzo cilindro) Dimostrare (conto) che la somma dei prodotti Pstat x Aforo in ogni foro corrisponde alla portanza misurata dalla bilancia Quindi: le forze che agiscono sull ala sono la conseguenza della pressione che l aria esercita su di essa Visualizzare (o misurare) il profilo di pressione per un ala: osservo che la pressione minore corrisponde al primo quarto dell ala: gradiente di pressione lungo il flusso Chi genera questo gradiente di pressione?

8 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 ala alla superficie (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: difatti, la portanza (forza netta verso l alto che sostiene l aeroplano) è l integrale della pressione su tutto il profilo alare (

9 reazione portanza azione (viscosità) deviazione dell aria downwash +18 g -18 g

10 MISURA DI PRESSIONE SU MEZZO CILINDRO Dimensioni cilindro D(diametro) = 8 cm L (larghezza) = 5 cm Il cilindro è diviso in 9 settori di 20º di ampiezza ciascuno Il forellino al centro di ogni settore si trova a 30º La bilancia registra (-20.0 ± 0.2) g Foro ΔP (hpa) Angolo (gradi)

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13 Portanza nulla ad angolo di attacco nullo stallo deportanza ad angoli di attacco negativi

14 Portanza ad angolo di attacco nullo stallo Portanza ad angolo di attacco negativo

15 L N cos Asin D N sin Acos L(lift) agisce fondamentalmente nella direzione normale all ala (forze di pressione) D (drag) agisce fondamentalmente nella direzione parallela all ala (sforzi di taglio) angle of attack relative wind

16 dv F P T cos D W sin T m dt propulsione (thrust) resistenza (drag) peso (weight) V 2 F N L T sin T W cos m r portanza (lift)

17 0 a 0 T cos D T L T sin W T 0 T T D L W

18 T D L C L W L W D C D T T W W L / finesse D F

19 FINESSE (F ) = L/D La finesse è in rapporto diretto con la qualità aerodinamica Finesse = Glide number = Glide ratio F (albatros) = 20 F (Boeing 747) = 15 F aumenta con ali lunghe e strette e un corpo affusolato

20 F = U / v = rate of descent Per un Boeing 747, F = 15 Se tutti i motori si spengono a 10 km di altitudine, l aereo può restare in aria per altri 150 km Se il Boeing deve planare, è meglio che F sia il più alto possibile! I moderni alianti raggiungono F ~ 40-60