La Fisica del Volo: Un approccio didattico alla fluidodinamica A.A. 2010-2011 ic Teresa López Arias Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche Dipartimento di Fisica Progetto Lauree Scientifiche
Perché no..? Perché la fluidodinamica? Rivalutazione della fluidodinamica dal punto di vista didattico e interdisciplinare Perché il volo?
Biologia Interdisciplinarietà Medicina Meteorologia Geofisica Astrofisica Ingegneria navale, aeronautica e aerospaziale Ingegneria civile Energie alternative Nuove tecnologie
Argomenti trasversali Dinamica: stabilità e controllo dell aeroplano Termodinamica: propulsione (eliche e motori), cicli termodinamici, fisica dell atmosfera Aerodinamica: energia, potenza, lavoro, rendimento, efficienza, consumo Strumenti di misura Biologia e geologia: flussi altamente viscosi Perché il volo?
Antoine di Saint-Exupéry (1900-1944) Ero molto fiero di fargli sapere che volavo Il Piccolo Principe
Nobody will fly for a thousand years! Wilbur Wright, 1901, in a fit of dispair
1783 1892 1936
dicembre 1968 dall Apollo 8
Obiettivi del percorso didattico sulla fisica del volo Mettere in evidenza il comportamento dei fluidi (liquidi e gassosi) Mostrare le modalità di interazione tra fluidi e solidi (ali incluse) Misurare le forze esercitate dai fluidi sui corpi solidi e viceversa (ali incluse) Usare le leggi della dinamica per capire l origine della portanza di un aeroplano Eliminare le misconcezioni e false spiegazioni sull origine della portanza
capire i meccanismi fisici alla base del volo (descriverlo) es.: Ludwig Prandtl far volare l aeroplano (costruirlo) es.: I fratelli Wright Fluidodinamici Fisici Insegnanti Ingegneri Pilota Costruttori
Ipotesi del continuo La particella di fluido Linea di flusso Pressione totale, statica e dinamica Sforzo di taglio Viscosità e condizione di non-slittamento Strato limite (ipotesi di Prandtl) Regimi fluidodinamici: laminare e turbolento (numero di Reynolds) Similitudine fluidodinamica deformable stuff that fills a region
PRESSIONE VISCOSITA PRINCIPIO DI AZIONE-REAZIONE FORZA E RESISTENZA DELL ARIA (E DEI FLUIDI IN GENERALE)
La Fisica del Volo Un laboratorio sotto pressione Una questione viscosa Perché vola un aeroplano? L importanza della portanza Il vento in galleria
CONCETTI CHIAVE DELLA DINAMICA Forze: portanza, resistenza, propulsione, peso III Principio della Dinamica
Alcuni esperimenti Viscosità Effetto Coanda Aria deviata (downwash)
Un laboratorio sotto pressione
Interazione fluido solido: pressione e sforzo di taglio (forza normale alla superficie) (forza tangente alla superficie)
PRESSIONE SFORZO DI TAGLIO
PRINCIPIO DI PASCAL In condizioni STATICHE la pressione agisce in uguale misura in tutte le direzioni Cosa succede se l aria è in movimento? PRESSA IDRAULICA
pressione dinamica velocità aria Come si misura la pressione in condizioni dinamiche? (nel vento) pressione totale pressione statica
Il tubo di Pitot Henri Pitot, 1732 Tubo di Pitot-Prandtl Ludwig Prandtl (1930)
Tubo di Pitot (1732): misura la pressione totale P totale = P statica + P dinamica Mis Tubo di Pitot-Prandtl: misura la pressione dinamica
Pressione di un fluido in movimento Statica (movimento aleatorio delle molecole d aria) Dinamica Totale = Statica + Dinamica si misura portando il fluido a v = 0 P tot P S P D P S 1 v 2 2
Il punto dove il fluido raggiunge v = 0 si chiama PUNTO DI RISTAGNO
Si assomiglia a qualcosa..? VdV dx a V 2c 2 Teorema di Bernoulli (originale) Bernoulli scopre il rapporto inverso tra pressione e velocità del flusso ma non sembra apprezzare le implicazioni Il concetto di pressione come proprietà puntuale e che può cambiare da punto a punto nel flusso non c è (arriverà con Eulero) D. Bernoulli (1700-1782) L. Euler (1707-1783)
Ma allora Bernoulli.. va bene o no? Sì, se le ipotesi di lavoro del teorema valgono No, se si usa sempre e dappertutto come spiegazione semplice di qualunque fenomeno fluidodinamico elementare Fluido inviscido Fluido incomprimibile Flusso stazionario Flusso irrotazionale THE PHYSICS TEACHER Vol. 41, January 2003 H. Cohen, D. Horvath http://media.efluids.com/galleries/all?medium=640 http://media.efluids.com/galleries/all?medium=658
pressione totale P A = P B B v B P tot P S P D P S 1 v 2 2 D v D v A A v C C
Trascinamento di un fluido da parte di un altro (o lo stesso) fluido che fluisce a velocità diversa (entrainment) Aria trascinata (v ) Aria ferma (v=0) V getto
http://pls2fv.wordpress.com (blog sulla fisica del volo, lcosfi, unitn: descrizione esperimenti, filmati, foto, materiale bibliografico) http://www.diam.unige.it/~irro/lecture.html (descrizione di alcuni elementi di fluidodinamica necessari per capire il volo degli aeroplani; introduce la circolazione; interessanti i diagrammi dei campi di pressione, velocità e forze intorno ad un profilo alare) http://media.efluids.com/galleries/all (immagini e filmati di svariati fenomeni fluidodinamici) http://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/short.html (sito educativo della NASA; presenta le tre spiegazioni scorrette più frequenti sull origine della portanza) http://wright.nasa.gov/index.htm (la storia dei Wright, simulazioni, filmati, foto) http://www.av8n.com/how/ (un pilota spiega il volo) http://www.terrycolon.com/1features/fly.html (mette in luce le misconcenzioni e spiegazioni incorrette più frequenti) Multimedia Fluid Mechanics (DVD, Cambridge University Press)
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 Kármán, 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